倍率器｜電圧計の測定範囲を拡張する直列抵抗

2026.01.12

倍率器

倍率器とは、電圧計の内部抵抗に対して直列に接続する精密抵抗器であり、計器そのものの測定範囲を数倍から数百倍に拡大する目的で用いられる。可動コイル形電圧計は構造上、フルスケールで測定できる電圧が数十mVから数V程度に限られるため、実際の現場で数百Vや数kVを測定する際には倍率器による範囲拡大が不可欠となる。電流計側の範囲拡大に用いる分流器とは逆に、電圧側に高抵抗を挿入する点が特徴である。

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計器のレンジ拡大という発想の起源

電圧・電流を数値として読み取る指示計器は19世紀後半に実用化が進んだが、初期の可動コイル形計器は感度と測定範囲の両立が難しかった。アンペアを基本単位とする電流測定の分野では早くから並列抵抗によるレンジ拡大が確立していたのに対し、電圧測定では計器の内部抵抗Rmと直列抵抗の比によって拡大率を決める方式が採用され、これが倍率器の原型となった。20世紀に入ると精密抵抗材料としてマンガニン線が普及し、温度係数を数ppm/℃まで抑えた高安定抵抗が量産されるようになった。

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原理と計算式

計器の内部抵抗をRm、目標とする倍率をnとすると、直列に挿入すべき倍率器の抵抗値Rsは次式で求まる。
Rs = Rm × (n − 1)
例えば内部抵抗1000Ωの電圧計を10倍(10V→100V)にレンジ拡大する場合、Rsは9000Ωとなる。実務では複数の抵抗をタップ切り替え式に配置し、1台の計器で10V・50V・250V・500Vといった複数レンジを選択できるようにする設計が一般的である。

分流器との違い

分流器は電流計に対して並列に低抵抗を接続し、大部分の電流をバイパスさせることで測定範囲を広げる。これに対して倍率器は電圧計に直列に高抵抗を接続し、余剰の電圧分を分担させる点が根本的に異なる。両者とも「計器の感度限界を外部抵抗で補う」という発想は共通するが、接続形態が並列か直列かで真逆になる点は覚えておきたい。

構造と実装形態

倍率器には計器ケース内部に組み込む内蔵形と、計器の外部に別置きする外付け形がある。内蔵形は小型のテスタや配電盤用計器で多く採用され、コンパクトさが優先される。対して、精密測定用の標準器や1kVを超える高電圧測定では、絶縁距離を確保するために外付け形の倍率器が選ばれることが多い。外付け形は抵抗器を樹脂やセラミックのケースに封入し、沿面距離を数十mm以上確保する設計が一般的である。

精度に影響する要因

倍率器の精度は、抵抗値そのものの初期公差だけでなく、温度係数・自己発熱・絶縁抵抗の3要素で決まる。JIS C 1102-1では指示電気計器の階級として0.2級・0.5級・1.0級・1.5級・2.5級が規定されており、倍率器を組み合わせた電圧計全体としてこの階級を満たす必要がある。マンガニン抵抗線は温度係数が±20ppm/℃程度と低いが、大電力を消費する低倍率レンジでは自己発熱によるドリフトが無視できず、放熱設計や定格電力(0.25W・0.5W・1Wなど)に余裕を持たせる配慮が現場では欠かせない。

主な計器用抵抗器の比較

名称 接続方式 主な用途
倍率器 電圧計に直列 電圧レンジの拡大
分流器 電流計に並列 電流レンジの拡大
計器用変圧器(VT) 電圧回路を絶縁変成 高電圧系統の計測・保護

JIS規格と精度階級

日本国内で流通する指示電気計器と倍率器は、JIS C 1102シリーズ(直動式指示電気計器)に基づいて設計・試験されることが多い。定格電圧は300V・600V・750Vなど段階的に設定され、絶縁耐力試験では商用周波数で定格電圧の概ね2倍プラス1000Vに相当する試験電圧を1分間印加する例が一般的である。校正機関ではキャリブレーションにより階級どおりの誤差範囲に収まっているかを定期的に確認し、ホイートストンブリッジや精密分圧器を用いた比較測定で抵抗値のトレーサビリティを担保する。

用途と選定における実務上の注意

倍率器はアナログテスタや可搬形の指示計器だけでなく、オームの法則を応用した簡易的な精密分圧回路、電圧リファレンスと組み合わせた校正用標準器、単線結線図に記載される受変電設備の計測用パネルなど幅広い場面で使われる。購入コストは倍率が大きいほど、また求める精度階級が高いほど上昇する傾向があり、量産機器では汎用の固定抵抗器で代用し、標準器クラスでは高安定な巻線抵抗を個別選別して使うといった使い分けが実務では一般的である。渦電流による誤差が問題になる高周波領域や、半波整流を経た脈流電圧を測定する場面では、抵抗成分だけでなく浮遊容量やダイオードの非線形性も考慮した設計が必要になる。バッテリー駆動の携帯型計測器では消費電流を抑えるため、高抵抗レンジの倍率器を採用して内部の電力損失を最小限にとどめる設計が採られることも多い。変圧器損失や皮相電力を評価する現場計測においても、既存の電圧計レンジを超える箇所では倍率器による範囲拡大が有効な選択肢となる。

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