I. なぜ4端子測定が必要なのか？

精密電流測定において、私たちは無視できない問題に直面している：接触抵抗.シャントを回路にボルトで固定したり、はんだ付けしたりすると、接続点で接触抵抗が発生し、この抵抗が測定誤差の原因となる。

典型的な100μΩのシャントを例にとると、接続点の接触抵抗が2μΩ（実際には一般的）である場合、誤差は2%となり、0.5%、あるいは0.1%の精度が要求されるアプリケーションでは全く許容できない。

ケルビンの4端子技術は、この問題を解決するために設計されている。

2端子、4端子の測定原理

2.1 基本コンセプト

4端子（4線式とも呼ばれる）測定法は、電流経路と電圧測定経路を分離する：

• 電流端子（力）測定電流を流すため、接触抵抗と発熱を伴う。
• 電圧端子（センス）大電流を流すことなく、抵抗素子の電圧降下を検出する。

2.2 動作原理

の4端子構成である：

1. 電流端子は主回路に接続され、大電流はシャントを通って流れる。
2. 電圧端子は抵抗素子のアクティブエリアに直接接続され、電圧降下は高インピーダンスメーターで測定される。
3. 電圧測定回路にはほとんど電流が流れないので、接触抵抗の電圧降下は無視できる。
4. 測定された電圧は、接触抵抗ではなく、抵抗素子自体の電圧降下のみを反映する。

2.3 等価回路解析

2端子測定の合計抵抗 = Rシャント + R接点1 + R接点2
測定抵抗値 ≈ 四端子測定用Rシャント（接触抵抗を除く）

これにより、4端子測定は2端子測定よりも1桁以上精度が高くなる。

第三に、4端子シャントの構造設計である。

3.1 端子レイアウト

標準的な4端子シャントは、通常以下のような構造をしている：

• 2つの大きな断面の電流端子（通常、ネジ穴または銅接続がある）
• 2つの小型電圧感知端子（通常はピン端子またはネジ端子）
• 電圧端子は電流端子の内側にあり、抵抗素子の近くにある。

3.2 電圧検出点の位置

電圧検出点の位置の選択は非常に重要である：

• 電流分布が均一な場所に設置する。
• 端子溶接部への接近を避ける（電流の偏り）
• 2つのセンシングポイントは対称に配置する。

3.3 素材とプロセス

• 電流端子：紫銅または黄銅、表面は錫／ニッケルメッキ
• 電圧端子：銅または真鍮、小型設計により熱伝導を低減
• 抵抗素子：マンガン銅およびその他の低TCR合金
• 溶接：電子ビーム溶接またはろう付け

応用回路設計のポイント

4.1 電圧測定回路

• 高入力インピーダンスオペアンプまたは ADC の入力インピーダンスは >10MΩでなければならない。
• 低バイアス電流入力バイアス電流は可能な限り小さくすべきである。
• 差動入力計装アンプまたは差動ADCの使用

4.2 配線要件

• 電流ラインと電圧ラインの分離配線
• 電圧検出ラインにはシールド付きツイストペアを使用する。
• 電圧ラインはできるだけ短くし、ピックアップノイズを減らす
• シールドのシングルエンド接地

4.3 PCB設計

• 電流経路とセンス経路はPCB上で分離されている
• センシングアライメントが薄いため、シャントが発生しない
• 熱電ポテンシャルの影響に注意し、異種金属の使用を避ける。

V. よくある問題と解決策

5.1 熱電位干渉

課題温度勾配は測定誤差の原因となる。
タックル：

• 同素材の接続ケーブルの使用
• 接続部の温度を均一に保つ
• AC励磁またはチョッピング技術によるDCオフセットの除去

5.2 電磁妨害

課題大電流によって発生する磁界は、電圧検出ラインに妨害電圧を誘導する。
タックル：

• 電圧センシングワイヤーはしっかりとツイストされている
• 大電流導体から遠ざける
• アライメント方向の合理的な配置

5.3 同相電圧

課題ハイサイド検出時にシャントが高電位になり、コモンモード電圧が高くなる。
タックル：

• 高い同相信号除去比を持つ差動増幅器の使用
• 分離測定方式の採用
• ローサイド検出（システムで許可されている場合）

実用例

6.1 バッテリー試験装置

電池の充放電試験では、容量を算出するために正確な電流測定が必要です。4端子シャント＋24ビットADCを使用することで、0.02%レベルの電流測定精度を達成することができます。

6.2 スマートメーター

電力計測には高精度と長期安定性が要求されます。4端子のマンガン-銅シャントは、最大0.2Sの精度レベルを持つスマートメーターの標準的なソリューションです。

6.3 大電流電源テスト

スイッチング電源、インバーター、その他の大電流デバイスの効率テスト、正確な電力測定用高精度パワーアナライザー付き4端子シャント。

まとめ

ケルビンの4端子技術は、電流経路と電圧測定経路を分離することで、接触抵抗による測定への影響を効果的に排除し、高精度な電流測定の基礎となっています。四端子測定システムを設計する際には、熱電位や電磁干渉などの問題に注意しながら、端子レイアウト、配線方法、PCB設計などの細部に注意を払う必要があります。4端子技術を正しく適用することで、シャント電流測定の精度を0.1%またはそれ以上に向上させることができ、エネルギー貯蔵、電気自動車、メータリング、その他の分野の厳しい要件を満たすことができます。