JPH11281677A - 電流測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小な電流から大電流までを精度よく測定す
ることが可能で、測定レンジを速やかに切り換えること
ができる電流測定装置を提供する。 【解決手段】 高精度抵抗とフォトモスリレーを直列に
接続した組を、定電圧を供給される入力端子と負荷抵抗
に接続される出力端子間に、並列に複数接続する。計測
増幅回路の一方の端子を入力端子に接続し、他方の端子
を、出力端子と抵抗値の小さな高精度抵抗のフォトモス
リレー側とに、それぞれアナログスイッチを介して接続
する。フォトモスリレーのうち小さな抵抗値の高精度抵
抗に接続されたものを導通させるときは、その抵抗に接
続されたアナログスイッチを導通させ、大きな抵抗値の
高精度抵抗に接続されたものを導通させるときは、出力
端子に接続されたアナログスイッチを導通させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は定電圧を印加して負
荷抵抗に流れる電流を測定する電流測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】定電圧を印加して測定対象である負荷抵
抗に流れる電流を測定する従来の電流測定装置の要部の
構成を図５に示す。この電流測定装置９は、抵抗値が１
０倍ずつ異なる５つの高精度の抵抗Ｒ１〜Ｒ５と、これ
らの抵抗にそれぞれ接続された５つの水銀リレーＳ１〜
Ｓ５と、増幅回路９３を備えている。抵抗Ｒ１〜Ｒ５は
所定の電圧を印加される入力端子９１に接続され、水銀
リレーＳ１〜Ｓ５は図外の負荷抵抗に接続される出力端
子９２に接続されている。

【０００３】水銀リレーＳ１〜Ｓ５のいずれかを導通さ
せると、入力端子９１と出力端子９２が接続されて出力
端子９２から負荷抵抗に電流が流れ、導通した水銀リレ
ーに接続されている抵抗には、負荷抵抗を流れる電流に
等しい電流が流れる。増幅回路９３で入力端子９１と出
力端子９２の間の電圧を増幅し、端子９３ｃに現れる増
幅後の電圧を不図示の電圧検出回路で測定することによ
り、負荷抵抗を流れる電流が測定される。

【０００４】導通させる水銀リレーを切り換えて電流を
通す抵抗を切り換えることにより、入力端子９１と出力
端子９２の間に現れる電圧は変化し、これにより測定レ
ンジが切り換わる。この電流測定装置９は最小レンジＲ
８ＵＡから最大レンジＲ８０ＭＡまで５段階の測定レン
ジをもち、最大レンジＲ８０ＭＡから始めて順次測定レ
ンジを切り換えて、電圧検出回路に与える電圧を所定範
囲内とするレンジ自動設定機能を備えている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
電流測定装置は測定レンジを切り換えるためのスイッチ
素子として水銀リレーを使用している。ところが水銀リ
レーは、動作／復旧時間すなわち導通動作を始めてから
完全に導通するまでの時間および導通動作を止め始めて
から完全に非導通となるまでの時間が、共に３ｍｓｅｃ
（ミリ秒）程度と長い。

【０００６】このため、測定レンジを頻繁に切り換えて
負荷抵抗に流れる電流を測定するときには、測定にかな
りの時間を要する。例えば、上記の電流測定装置９で、
最小レンジＲ８ＵＡで測定すべき負荷抵抗を最大レンジ
Ｒ８０ＭＡから始めてレンジ自動設定する場合、適正な
レンジに設定するまでに約２７ｍｓｅｃかかることにな
る。

【０００７】速やかに測定を行い得るようにするために
は、水銀リレーに代えて、動作／復旧時間の短いスイッ
チ素子を用いればよい。例えば、フォトモスリレーは動
作／復旧時間がそれぞれ０．５ｍｓｅｃと０．２ｍｓｅ
ｃ程度であり、これを用いれば測定レンジの切り換えを
速やかに行うことができる。しかしながら、水銀リレー
のオン抵抗すなわち導通時の抵抗値が１００ｍΩ程度で
あるのに対し、フォトモスリレーのオン抵抗は１０Ω程
度と１００倍も高い。このため、抵抗値の小さな抵抗に
電流を流す大レンジでの測定では、その抵抗値に匹敵す
るオン抵抗が新たに加わることになって、正しく電流を
測定することができなくなる。

【０００８】動作／復旧時間が短い他のスイッチ素子も
同様であり、これらのスイッチ素子を水銀リレーに代わ
るものとしてそのまま使用することはできない。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、負荷抵抗に流れる微小な電流から大電流までを精
度よく測定することが可能で、測定レンジを速やかに切
り換えることができる電流測定装置を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、第１の端子と、第２の端子と、一端が
第１の端子に接続された抵抗値の異なる高精度の複数の
抵抗と、一端が第２の端子に接続され他端が複数の抵抗
の他端に個別に接続された複数のスイッチ素子と、第１
の入力端子が第１の端子に接続され第２の入力端子が第
２の端子に接続された増幅回路を有し、第１の端子およ
び第２の端子の一方に負荷抵抗を接続し他方に所定の電
圧を印加して、複数のスイッチ素子のいずれか１つを導
通させて第１の端子と第２の端子の間の電圧を増幅して
測定することにより、負荷抵抗に流れる電流を測定する
電流測定装置において、複数のスイッチ素子としてフォ
トモスリレーを備えるとともに、複数の抵抗のうち抵抗
値が所定値未満のもののスイッチ素子側の端と増幅回路
の第２の入力端子および第２の端子と増幅回路の第２の
入力端子をそれぞれ接続する複数のアナログスイッチを
備える。

【００１１】そして、複数のスイッチ素子のうち抵抗値
が所定値未満の抵抗に接続されたものを導通させるとき
に、複数のアナログスイッチのうちその抵抗の端に接続
されたもののみを導通させ、複数のスイッチ素子のうち
抵抗値が所定値以上の抵抗に接続されたものを導通させ
るときに、複数のアナログスイッチのうち第２の端子に
接続されたもののみを導通させるようにする。

【００１２】複数のスイッチ素子のうちどれを導通させ
るかによって測定レンジが切り換わるが、スイッチ素子
として動作／復旧時間のきわめて短いフォトモスリレー
を用いたことで、測定レンジの切り換えをきわめて速や
かに行うことができる。抵抗値が所定値未満の抵抗に電
流を流すときには、その抵抗に接続されたアナログスイ
ッチによって抵抗と増幅回路が直接接続され、第２の端
子と増幅回路とは遮断される。このとき、増幅回路には
直列に接続された抵抗とフォトモスリレーの両端間の電
圧ではなく、抵抗の両端間の電圧が与えられることにな
り、フォトモスリレーのオン抵抗は測定値に影響しな
い。

【００１３】しかも、増幅回路の入力インピーダンスは
アナログスイッチの抵抗値を無視し得るほど大きいか
ら、アナログスイッチのオン抵抗によって測定が不正確
になることもない。したがって、抵抗値の小さな大レン
ジで測定するときでも、正確に電流を測定することがで
きる。

【００１４】また、抵抗値が所定値以上の抵抗に電流を
流すときには、第２の端子と増幅回路が接続され、直列
に接続された抵抗とフォトモスリレーの両端間の電圧に
基づいて測定を行うことになる。ここで、例えば、所定
値を１０ｋΩ程度以上にしておけばフォトモスリレーの
オン抵抗の１０００倍以上となり、そのオン抵抗の測定
への影響は０．１％以下に抑えられる。したがって、小
レンジでも精度よく電流を測定することができる。この
ように設定することで、アナログスイッチを不必要に多
く備える無駄が避けられる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の電流測定装置の一
実施形態について図面を参照して説明する。図１に電流
測定装置１の概略構成を示す。電流測定装置１は、ノイ
ズ除去回路１０、電流測定回路２０、電圧検出回路３
０、およびフィードバック回路４０を備えている。

【００１６】ノイズ除去回路１０は積分回路１１、反転
増幅回路１２およびバッファ１３から成り、図外の定電
圧源より抵抗１０ａを介して与えられる約８Ｖの所定電
圧からノイズを除去し、ノイズ除去後の電圧を電流測定
回路２０に供給する。電流測定回路２０は、電流測定の
対象である負荷抵抗ＲＬに２芯シールド線２０ａを介し
てノイズ除去回路１０からの電圧を印加し、それによっ
て自身の内部を流れる電流ｉを電圧に変換して出力す
る。電流測定回路２０については後に詳述する。

【００１７】電圧検出回路３０は、反転増幅回路３１お
よび電圧計３２より成り、電流測定回路２０が出力する
電圧を反転増幅回路３１によって所定の倍率で増幅し、
増幅後の電圧を電圧計３２で測定する。電圧計３２で測
定される電圧は負荷抵抗ＲＬを流れる電流ｉに応じて変
化するが、その電圧値は負荷抵抗ＲＬを流れる電流値を
直接表すものではなく、電圧値と電流値の対応関係は電
流測定回路２０の内部設定によって変わる。電流測定回
路２０から電圧検出回路３０に与えられる電圧の基準レ
ベルを調節するために、両回路間に可変抵抗３０ａが設
けられている。

【００１８】フィードバック回路４０は倍率１倍の差動
増幅回路４１より成り、電流測定回路２０が負荷抵抗Ｒ
Ｌに印加する電圧と負荷抵抗ＲＬを流れることによって
低下した電圧の差をとって反転し、可変抵抗１０ｂを介
してノイズ除去回路１０に帰還させる。差動増幅回路４
１の入力インピーダンスは高く、電流測定回路２０から
フィードバック回路４０には電流は流れない。したがっ
て、負荷抵抗ＲＬを流れる電流ｉと電流測定回路２０を
流れる電流ｉは等しい。

【００１９】なお、図１および以下に説明する図の各回
路の端子に付した＋１５および−１５の数値は供給され
る駆動電圧（Ｖ）を、ＣＧＮＤはグランド電位に接続さ
れていることを表す。

【００２０】電流測定回路２０の構成を図２に示す。電
流測定回路２０はノイズ除去回路１０から供給される電
圧を受ける入力端子２１、その電圧を負荷抵抗ＲＬに印
加する出力端子２２、５つの抵抗Ｒ１〜Ｒ５、およびス
イッチ素子である６つのフォトモスリレーＫ１〜Ｋ６を
備えている。

【００２１】抵抗Ｒ１〜Ｒ５は誤差０．１％以内の高精
度のもので、それらの抵抗値は１０倍ずつ相違する。具
体的には、抵抗Ｒ１が１００ｋΩで最大であり、抵抗Ｒ
５が１０Ωで最小である。抵抗Ｒ１〜Ｒ５の一端は入力
端子２１に接続されており、他端はそれぞれフォトモス
リレーＫ１〜Ｋ５の一端に接続されている。フォトモス
リレーＫ１〜Ｋ５の他端は出力端子２２に接続されてい
る。フォトモスリレーＫ６は、抵抗Ｒ５と出力端子２２
間に、フォトモスリレーＫ５に対して並列に接続されて
いる。抵抗Ｒ５と出力端子２２間に２つのフォトモスリ
レーＫ５、Ｋ６を並列に設けたのは、連続負荷電流の絶
対最大定格を超えないようにするためである。

【００２２】直列に接続された抵抗Ｒ１〜Ｒ４とフォト
モスリレーＫ１〜Ｋ４および抵抗Ｒ５とフォトモスリレ
ーＫ５、Ｋ６は、入力端子２１と出力端子２２間に並列
な５つの電流路を形成する。図示しないが、電流測定装
置１は装置全体を制御する制御部を備えており、この制
御部はフォトモスリレーＫ１〜Ｋ５を一時に１つだけ導
通させる。フォトモスリレーＫ５とＫ６は同時に動作さ
せられる。入力端子２１と出力端子２２の間を流れる電
流の最大値は、動作する電流路に応じて、８μＡ〜８０
ｍＡとなる。５つの電流路は電流測定装置１の５つの測
定レンジＲ８ＵＡ、Ｒ８０ＵＡ、Ｒ８００ＵＡ、Ｒ８Ｍ
Ａ、Ｒ８０ＭＡに対応する。

【００２３】電流測定回路２０はまた、計測増幅回路２
３および４つのアナログスイッチＫ７〜Ｋ１０を備えて
いる。計測増幅回路２３の一方の入力端子２３ａは抵抗
Ｒ６を介して入力端子２１に接続されており、他方の入
力端子２３ｂは抵抗Ｒ７の一端に接続されている。抵抗
Ｒ７の他端は、アナログスイッチＫ７、Ｋ８、Ｋ９をそ
れぞれ介して抵抗Ｒ５、Ｒ４、Ｒ３のフォトモスリレー
Ｋ５、Ｋ４、Ｋ３側の端に接続され、アナログスイッチ
Ｋ１０を介して出力端子２２に接続されている。

【００２４】計測増幅回路２３は、入力端子２３ａ、２
３ｂ間に加えられる電圧を１０倍に増幅して、その出力
端子２３ｃより電圧検出回路３０に出力する。計測増幅
回路２３には精度誤差０．１％以内の２つの抵抗Ｒ８お
よびＲ９が並列に接続されている。計測増幅回路２３の
構成を図３に示す。計測増幅回路２３は、３つのオペア
ンプ５１ａ、５１ｂ、５２、および２つの過電圧保護回
路５３ａ、５３ｂより成る。

【００２５】オペアンプ５１ａの入力端子（＋）は過電
圧保護回路５３ａを介して入力端子２３ａに接続されて
おり、同様に、オペアンプ５１ｂの入力端子（＋）は過
電圧保護回路５３ｂを介して入力端子２３ｂに接続され
ている。オペアンプ５１ａ、５１ｂの他方の入力端子
（−）は抵抗Ｒ８、Ｒ９によって接続されている。オペ
アンプ５１ａの出力端子は、抵抗５４ａを介してオペア
ンプ５２の入力端子（−）に接続され、抵抗５５ａを介
して自身の入力端子（−）に接続されている。オペアン
プ５１ｂの出力端子は、抵抗５４ｂを介してオペアンプ
５２の入力端子（＋）に接続され、抵抗５５ｂを介して
自身の入力端子（−）に接続されている。

【００２６】オペアンプ５２の出力端子は計測増幅回路
２３の出力端子２３ｃとなっている。この出力端子２３
ｃは帰還のために抵抗５６ａを介してオペアンプ５２の
入力端子（−）に接続されている。オペアンプ５２の入
力端子（＋）は抵抗５６ｂを介してグランド電位に接続
されている。このような構成により、計測増幅回路２３
は、与えられる電圧を精度よく増幅することが可能であ
り、また、１０¹⁰Ω程度の高い入力インピーダンスをも
つ。

【００２７】前述の制御部はアナログスイッチＫ７〜Ｋ
１０を一時に１つだけ導通させる。具体的には、フォト
モスリレーＫ５、Ｋ６を導通させる時にアナログスイッ
チＫ７を導通させ、フォトモスリレーＫ４を導通させる
時にアナログスイッチＫ８を導通させ、フォトモスリレ
ーＫ３を導通させる時にアナログスイッチＫ９を導通さ
せる。また、フォトモスリレーＫ１またはＫ２を導通さ
せる時にアナログスイッチＫ１０を導通させる。

【００２８】したがって、計測増幅回路２３には、測定
レンジＲ８ＵＡまたはＲ８０ＵＡが選択されているとき
には、入力端子２１と出力端子２２の間の電圧が与えら
れ、測定レンジＲ８００ＵＡ、Ｒ８ＭＡまたはＲ８０Ｍ
Ａが選択されているときには、それぞれ抵抗Ｒ３、Ｒ４
またはＲ５の両端間の電圧が与えられることになる。

【００２９】フォトモスリレーのオン抵抗は１０Ω程度
であり、これは抵抗Ｒ３、Ｒ４およびＲ５の抵抗値の１
％、１０％および１００％に相当する。しかしながら、
フォトモスリレーＫ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６に電流が流れ
る測定レンジＲ８００ＵＡ、Ｒ８ＭＡ、Ｒ８０ＭＡで負
荷抵抗ＲＬに流れる電流を測定するときには、抵抗Ｒ
３、Ｒ４、Ｒ５の両端間の電圧を直接測定することにな
り、それらのオン抵抗は測定に影響を及ぼさない。

【００３０】しかも、アナログスイッチのオン抵抗は１
７５Ω程度であって計測増幅回路２３の入力インピーダ
ンスに比べて無視し得るほど小さいから、抵抗Ｒ３、Ｒ
４、Ｒ５と計測増幅回路２３を接続するアナログスイッ
チＫ７、Ｋ８、Ｋ９のオン抵抗も測定に影響を及ぼさな
い。したがって、測定レンジＲ８００ＵＡ、Ｒ８ＭＡ、
Ｒ８０ＭＡで測定される中電流ないし大電流の精度は高
い。

【００３１】測定レンジＲ８ＵＡ、Ｒ８０ＵＡで測定す
るときは、フォトモスリレーＫ１、Ｋ２のオン抵抗が影
響する。しかしながら、フォトモスリレーのオン抵抗は
抵抗Ｒ１およびＲ２の抵抗値の０．０１％および０．１
％に過ぎず、この電流測定装置１で用いている高精度抵
抗の精度誤差以下となって、その影響は無視し得る。し
たがって、測定レンジＲ８ＵＡ、Ｒ８０ＵＡで測定され
る微小ないし小電流の精度も高い。

【００３２】電流測定装置１はレンジ自動設定機能を備
えている。レンジ自動設定に際して制御部は、計測増幅
回路２３から出力される電圧が、電圧検出回路３０が測
定し得る最大電圧以下でその最大電圧の５％以上の範囲
に収まるように、測定レンジを最大レンジＲ８０ＭＡか
ら始めて順次切り換える。電流測定装置１では動作／復
旧時間が０．５／０．２ｍｓｅｃときわめて短いフォト
モスリレーを用いていることにより、測定レンジの切り
換えを速やかに行うことができる。アナログスイッチの
動作／復旧時間は１／０．５μｓｅｃとさらに短く、測
定には全く影響しない。

【００３３】負荷抵抗ＲＬを流れる電流が４〜８０μＡ
の場合の、レンジ自動設定での測定に要する時間を、水
銀リレーを用いた従来の装置と対比して図４に示す。
（ａ）は電流測定装置１で要する時間、（ｂ）は図５の
電流測定装置９で要する時間である。どちらもＲ８０Ｍ
ＡからＲ８０ＵＡまでの４つの測定レンジを切り換える
ことになるが、１回の動作時間に２．５ｍｓｅｃ、１回
の復旧時間に２．８ｍｓｅｃの差が生じるため、測定完
了までに２１．２ｍｓｅｃの差異が生じる。すなわち、
電流測定装置１では従来の約１２％の時間で測定が完了
する。

【００３４】なお、ここでは、電流測定回路２０の入力
端子２１に抵抗Ｒ１〜Ｒ５を接続し、出力端子２２にフ
ォトモスリレーＫ１〜Ｋ６を接続する構成としたが、配
列順序を逆にして、フォトモスリレーＫ１〜Ｋ６を入力
端子２１に接続し、抵抗Ｒ１〜Ｒ５を出力端子２２に接
続する構成としてもよい。その場合、抵抗Ｒ７を出力端
子２２に直接接続し、抵抗Ｒ６をアナログスイッチＫ１
０を介して入力端子２１に接続し、抵抗Ｒ６をアナログ
スイッチＫ７、Ｋ８、Ｋ９に接続する。制御動作に違い
は生じない。

【００３５】また、５つの抵抗Ｒ１〜Ｒ５のうち抵抗値
の小さな３つのみをアナログスイッチＫ７〜Ｋ９を介し
て計測増幅回路２３に接続する構成としたが、全ての抵
抗Ｒ１〜Ｒ５をアナログスイッチを介して計測増幅回路
２３に接続するようにしてもよい。このとき、出力端子
２２と計測増幅回路２３を接続するアナログスイッチＫ
１０は不要になる。ただし、抵抗の精度誤差よりもフォ
トモスリレーのオン抵抗が小さいときには、抵抗の両端
の電圧のみを測定することは測定精度の向上には寄与し
ない。したがって、どの抵抗をアナログスイッチを介し
て計測増幅回路２３に接続するかは、抵抗値の大きさと
精度誤差を考慮して定めることが望ましい。

【００３６】

【発明の効果】本発明の電流測定装置によるときは、レ
ンジの切り換えに要する時間がきわめて短いから、測定
の能率が大きく向上する。しかも、どのレンジで測定す
るときでも誤差はほとんど生じず、微小な電流から大電
流までを精度よく測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態の電流測定装置の概略構
成を示す図。

【図２】 上記電流測定装置の電流測定回路の構成を示
す図。

【図３】 上記電流測定回路の計測増幅回路の構成を示
す図。

【図４】 上記電流測定装置と従来の電流測定装置の測
定時間の比較例を示す図。

【図５】 従来の電流測定装置の要部の構成を示す図。

【符号の説明】

１ 電流測定装置 １０ ノイズ除去回路 １１ 積分回路 １２ 反転増幅回路 １３ バッファ ２０ 電流測定回路 ２０ａ ２芯シールド線 ２１ 入力端子 ２２ 出力端子 ２３ 計測増幅回路 Ｒ１〜Ｒ５ 高精度抵抗 Ｋ１〜Ｋ６ フォトモスリレー Ｋ７〜Ｋ１０ アナログスイッチ ３０ 電圧検出回路 ３１ 反転増幅回路 ３２ 電圧計 ４０ フィードバック回路 ４１ 差動増幅回路 ５１ａ、５１ｂ、５２ オペアンプ ５３ａ、５３ｂ 過電圧保護回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の端子と、第２の端子と、一端が前
   記第１の端子に接続された抵抗値の異なる高精度の複数
   の抵抗と、一端が前記第２の端子に接続され他端が前記
   複数の抵抗の他端に個別に接続された複数のスイッチ素
   子と、第１の入力端子が前記第１の端子に接続され第２
   の入力端子が前記第２の端子に接続された増幅回路を有
   し、前記第１の端子および前記第２の端子の一方に負荷
   抵抗を接続し他方に所定の電圧を印加して、前記複数の
   スイッチ素子のいずれか１つを導通させて前記第１の端
   子と前記第２の端子の間の電圧を増幅して測定すること
   により、負荷抵抗に流れる電流を測定する電流測定装置
   において、 前記複数のスイッチ素子としてフォトモスリレーを備え
   るとともに、 前記複数の抵抗のうち抵抗値が所定値未満のものの前記
   スイッチ素子側の端と前記増幅回路の第２の入力端子、
   および前記第２の端子と前記増幅回路の第２の入力端子
   を、それぞれ接続する複数のアナログスイッチを備え
   て、 前記複数のスイッチ素子のうち抵抗値が前記所定値未満
   の抵抗に接続されたものを導通させるときに、前記複数
   のアナログスイッチのうちその抵抗の端に接続されたも
   ののみを導通させ、 前記複数のスイッチ素子のうち抵抗値が前記所定値以上
   の抵抗に接続されたものを導通させるときに、前記複数
   のアナログスイッチのうち前記第２の端子に接続された
   もののみを導通させることを特徴とする電流測定装置。