電子工作での消費電流測定方法

概要

電子工作で利用する主に数Aまでの消費電流の測定方法を調べてみました。

商用機材(数十万円以上)

上記が非常にまとまった資料です。

デバイス電流波形アナライザ

一番細かいデータが取得できる機材。電流測定専用のオシロスコープみたいな機能です。回路の任意の場所に流れる電流を複数箇所測定できます。

DC電源アナライザ

直流安定化電源に、電流測定機能がついているもの。それなりの精度で電流測定が可能ですが、電源なので機材全体の電流しか測定できません。

高感度電流プローブ+オシロスコープ

オシロスコープを利用して、電流を測定する特別な電流プローブを利用して測定します。電流プローブが非常に高価で、高感度のものは30万円以上します。

エントリー機材(10万円前後まで)

プログラマブル電源

菊水電子工業 コンパクト直流安定化電源PMX18-2A(0~18V/0~2A)
KIKUSUI
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菊水電子工業(株)製コンパクト直流安定化電源。出力定格は0~18V/0~2A(連続可変)。入力はAC100V。

DC電源アナライザに近いですが、安定化電源のデータが取得できるものです。電源自体にもなって、測定もできますが、スペックがいまいちわかりにくいです。

電源制御をすることがメインで、測定目的で使うのはちょっと違うのかもしれません。

ベンチ型デジタルマルチメータ

RIGOL (リゴル) ダブル表示・デジタルマルチメーター 5.5桁, 150ppm(GPIB&LAN無し) 【国内正規品】,DM3058E
リゴル(Rigol)
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DM3058Eは、経済的な5.5桁のデジタル・マルチメータです。 高確度、多機能、自動測定のテスト要件向けに設計されており、測定値のスケーリング、複数種のセンサ測定の機能を統合しています。

高精度のテスターです。測定に特化しているので、時間分解能も電流分解能も高いです。電源は別に準備する必要がありますが、ちょっと個人だとベンチ型は手が出にくいです。

上記サイトですとベンチ型を使ってグラフ表示していました。

個人向け機材(1万円以下ぐらいまで)

シャント抵抗(千円以下)+オシロスコープ

オシロスコープはすでに持っているものとします!

上記が詳しいですが、電源ラインのどこかにシャント抵抗と呼ばれる抵抗を入れ、その電圧をはかることで、電流を測定します。

ハイサイド測定

電源のプラス側にシャント抵抗を入れて測定する方法です。この方法だとオシロスコープが絶縁されているか、2chのプローブでの差分で測定する必要があります。

失敗すると回路が壊れるので、よくわからない場合にはおすすめしません。

ローサイド測定

電源のGND側にシャント抵抗を入れて測定する方法です。この方法だと1chのオシロスコープでも測定が可能です。比較的失敗しにくいのでおすすめです。

シャント抵抗の選び方

シャント抵抗は流れる電流と電圧に応じて、抵抗値を選択する必要があります。基本的には電流×抵抗値=電圧という計算式になります。この電圧を測定するのですが、その電圧分回路の電圧が低下してしまいます。

5Vで動いている回路に、1Ωのシャント抵抗を使って1A流れると、1Vの電圧がシャント抵抗に流れ、回路は1V低下して4Vで動作することになります。ちょっと電圧低下しすぎで回路が動かない可能性があります。

ESP32のWi-Fi利用時は0.2A程度ですので、1Ωのシャント抵抗では0.2Vの電圧低下になります。これぐらいだったら大丈夫そうですが、瞬間電力だともっと流れていそうですので注意が必要です。

mgo-tecさんの場合には0.4Ωのシャント抵抗を利用していました。ESP32直接なので3.3V動作の回路で、1A流れても2.9Vで動く計算です。

上記がおすすめの抵抗です。チップ抵抗を必要数だけつなげるのはちょっと難易度が高いので、個人的には1Ωの抵抗モジュールを2つぐらい購入するのがおすすめです。

並列に使えば0.5Ω、直列で使えば2Ωも作れます。あと、Wが重要で5Vの回路で、1Ωに1Aを流すと抵抗には1Vが1A流れるので1Wになります。チップ抵抗の定格には収まっていますが発熱が心配です。大きいものを使っておけばとりあえず燃える心配はしなくても良さそうなので、思いっきり余裕を持ったものが安心です。

基本的には抵抗値は低いほうが回路に与える影響は少ないのですが、出力電圧が低くなります。そのため測定側のオシロスコープで、低電圧になった場合の測定精度が落ちてしまう問題があります。

抵抗値の選択は結構難しく、測定機材の精度が高ければ小さい方がいいと思いますが、流れる電流にも依存しそうです。

マルチメータ(1万円前後)

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少しいい値段のするテスターを利用した測定方法です。ただし、電流測定精度は高いのですが時間的な解像度が足りません。毎秒単位での電流測定を高精度に行いたい場合には、オシロスコープより精度が高い気がします。

個人的にはよく調査してから購入すべきだと思います。ちょっと情報が少ないのと、接続に追加機材が必要になったり、無線がついているものは日本正規代理店から買わないと技適がなかったりします。

USBテスター(数千円)

AVHzY CT-3 USB3.1テスター 電流電圧テスターチェッカー クイックバッテリー充電器検出器 DC 26V 6A Lua通訳統合 充電器 容量テスター PPSトリガー 急速充電PD/QCに適応 日本語オペレーティングシステム 日本語説明書付き CSVファイルを出力する (CT3)
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幅広い機能:0-26V 0-6A電圧および電流測定。 電圧と電流の4.5桁の読み取り。 電圧と電流の両方で最大0.1%のゲイン誤差。 容量/エネルギーアキュムレータ。PD(PPS付き)、QC2.0、QC3.0、QC4.0、SCP、SSCP、FCP、AFC、VOOC、スーパーVOOC充電器テスト用65Wトリガー。
USB電圧計、Bluetooth Type C USBテスターメーターUSB電圧メーターおよび電流テスター、1.44インチ5AカラーLCDディスプレイパワーテスターマルチメーター、QC 2.0 3.0 日本語説明書付
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USBテスター USB電子負荷 Bluetooth Type C UM25c電流電圧テスターチェッカー クイックバッテリー充電器検出器 DC5.0000A 24.000V充電器 1.44インチカラーLCDディスプレイパワーテスターマルチメーター 、QC 2.0 3.0 日本語説明書付

一番お手軽ですが、注意が必要です。無線が使えるものは技適がないものばかりです。また、パソコンには接続できないものがあったり、画面上とデータ取得でデータ精度が違っている場合などがあります。

時間解像度も1秒単位や、15秒など瞬間よりも長時間動作させる前提の物がおおいように思えます。

電流センサー(1000円前後)

シャント抵抗+電圧測定モジュールがモジュールになっているものです。高価なモジュールはシャント抵抗以外のものもありますが、回路の途中に入れることで電流を測定できるモジュールです。

I2Cなどで通信するものが多く、測定対象の回路外の機材からも測定が可能です。

上記ではPAC1710を利用した測定を行っています。INA219とかも定番だと思います。数ms単位での数mA精度の電流測定が可能です。

まとめ

M5StickCの消費電流をもう少し高精度で計測したくて、いろいろ調べましたが結構難しいです。M5StickCの場合には電源制御ICのAXP192でも消費電流が取得できますが、測定自体が消費電力を引き上げてしまうので、ちょっと嫌な感じがします。

手持ちのオシロスコープは絶縁タイプなので、シャント抵抗もチャレンジしたいですが手持ちにないので、入手からになります。いろいろ組み合わせながら、どんな構成がいいのか検討したいと思います。

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