概述

電流探頭使示波器用途不僅限于測(cè)量電壓，還能夠測(cè)量電流。電流探頭感測(cè)流過(guò)導(dǎo)體的電流，并將其轉(zhuǎn)換成可在示波器上觀察和測(cè)量的電壓。測(cè)量電流常用的方法是對(duì)載流導(dǎo)體進(jìn)行磁場(chǎng)傳感，目前有許多不同類型的探頭可供選擇，每個(gè)探頭都有一個(gè)表現(xiàn)的區(qū)域，當(dāng)它們被正確地用于它們被設(shè)計(jì)用于工作的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，將獲得最佳結(jié)果。

本文將介紹電流探頭解決方案的常見(jiàn)類型、基本原理、每種電流探頭類型之間的優(yōu)勢(shì)和局限性，以及在示波器使用電流探頭應(yīng)用以充分利用它們的實(shí)際考慮事項(xiàng)。

電流探頭的類型

電流探頭廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備或電源的電流測(cè)量，成為示波器進(jìn)行精確電流測(cè)量的工具。為了滿足當(dāng)前的測(cè)量需求，有多種不同的技術(shù)來(lái)測(cè)量電流，示波器使用的最常見(jiàn)的技術(shù)是：

1、探測(cè)電阻或分流電阻：基于歐姆定律；

2、鉗式電流探頭：交流變壓器或混合式霍爾效應(yīng)傳感器/交流變壓器；

3、Rogowski線圈：一種方便的交流大電流測(cè)量探頭；

一、探測(cè)電阻或分流電阻法

測(cè)量DUT上的電流的一種直接方法是在電路中使用分流電阻，測(cè)量電阻兩端的電壓降，并使用歐姆定律公式(即I=V/R)將電壓轉(zhuǎn)換為電流。這種方法是一種侵入性測(cè)量，因?yàn)閭鞲?分流電阻和電壓測(cè)量電路是電氣連接的，并且是DUT的一部分，因此，需要考慮的因素有很多。

探測(cè)電阻的選擇

選擇電阻值、精度、溫度系數(shù)和物理尺寸都取決于被測(cè)電流的大小和特性，電阻值越大，信噪比越大，測(cè)量就越準(zhǔn)確，然而，較大的電阻值將導(dǎo)致電阻器上的功率消耗增加，從而導(dǎo)致不必要的電壓降，稱為負(fù)載電壓。除了負(fù)載電壓損失之外，探測(cè)電阻值與測(cè)量噪聲、靈敏度和帶寬之間也需要權(quán)衡。為了降低負(fù)載電壓影響，用戶可能希望使用盡可能小的探測(cè)電阻，但從測(cè)量角度來(lái)看，較低的電阻會(huì)產(chǎn)生更多的負(fù)面影響。探測(cè)電阻值越大，意味著檢測(cè)電阻上的壓降越大，負(fù)載的電壓越小，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能和效率問(wèn)題，這是一種平衡的行為。 

輸入共模電壓

這定義了探頭或傳感設(shè)備(放大器)相對(duì)于地的輸入共模電壓。

高測(cè)/低測(cè)監(jiān)測(cè)

在測(cè)量負(fù)載電流時(shí)，可以選擇將探測(cè)電阻放置在電源電壓和負(fù)載之間(高側(cè))或負(fù)載和地之間(低側(cè))。由于共模電壓幾乎接地，因此低端檢測(cè)更可取、更容易。檢測(cè)的好處在于，它可以直接監(jiān)控電源提供的電流，從而允許檢測(cè)負(fù)載短路。

端子開(kāi)爾文測(cè)量配置

這有效地消除了負(fù)載的導(dǎo)線電阻和溫度系數(shù)，開(kāi)爾文連接對(duì)于精確的電流檢測(cè)是必須的，特別適合大電流應(yīng)用。

優(yōu)勢(shì)

1，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，可以實(shí)現(xiàn)非常高的靈敏 度和高帶寬測(cè)量。

2，小巧又便宜。

局限性

1，需要在負(fù)載電壓和測(cè)量精度(噪聲、靈敏度和帶寬)之間進(jìn)行權(quán)衡。

2，更準(zhǔn)確測(cè)量的感測(cè)電阻值越大，意味著感測(cè)電阻上的電壓降越大，負(fù)載的電壓越小，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能和效率問(wèn)題。

3，這是一種侵入性測(cè)量，因?yàn)閭鞲?分流電阻和電壓測(cè)量電路或探頭是電氣連接的，是DUT的一部分。

Keysight的N2820A/21A高靈敏度電流探頭采用感測(cè)電阻技術(shù)，可通過(guò)示波器測(cè)量低至500nA的電流

二、鉗式電流探頭

另一種常見(jiàn)類型的電流探頭是磁芯電流探頭，或鉗式電流探頭。這是一種間接類型的電流傳感技術(shù)，探頭夾在載流線或?qū)w周圍進(jìn)行非接觸式電流測(cè)量，探頭的輸出產(chǎn)生與被測(cè)電流的幅度成比例的電壓信號(hào)，這允許在探頭未電連接到DUT的情況下進(jìn)行非侵入性或隔離測(cè)量。

鉗式電流探頭有AC和AC/DC兩種版本，且有各種電流轉(zhuǎn)換系數(shù)可供選擇，電流探頭的設(shè)計(jì)目的是檢測(cè)導(dǎo)體周圍的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓，以便通過(guò)示波器進(jìn)行測(cè)量。

鉗式電流探頭中常用的傳感器技術(shù)有兩種，一種是霍爾效應(yīng)傳感器，用于測(cè)量直流或低頻信號(hào)，霍爾效應(yīng)傳感器是一種根據(jù)磁場(chǎng)改變其輸出電壓的傳感器。另一種常見(jiàn)的技術(shù)是使用電流互感器，在變壓器鐵心中流動(dòng)的交流電流在鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng)，然后在二次繞組電路中感應(yīng)電流，該電流被饋入到示波器，二次繞組的感應(yīng)電壓與通過(guò)一次繞組的電流成正比，該技術(shù)僅用于測(cè)量交流電流。

另一種流行的技術(shù)是AC/DC混合式電流探頭，它將測(cè)量直流和低頻成分的霍爾效應(yīng)傳感器元件和測(cè)量交流電流的電流互感器集成到一個(gè)探頭中。

優(yōu)勢(shì)

1，探頭和DUT之間的電隔離。

2，它們可以放置在電流路徑上的任何位置，而不會(huì)中斷電路。

3，低插入阻抗。

局限性

1，消磁和偏置誤差消除，為了準(zhǔn)確測(cè)量，需要偶爾對(duì)探頭進(jìn)行消磁，并補(bǔ)償消磁后留在探頭上的任何直流偏置。

2，價(jià)格高：霍爾效應(yīng)傳感器是最昂貴的電流傳感器類型之一。 

鉗式電流探頭是一種間接的電流傳感技術(shù)，它將探頭夾在載流線或?qū)Ь€周圍，進(jìn)行非接觸式電流測(cè)量。

三、羅氏線圈

如果要測(cè)量的交流電流超過(guò)幾十安培，并且想要進(jìn)行靈活的電流測(cè)量，可以考慮使用Rogowski電流探頭。

羅氏線圈是一種用于測(cè)量交流電流的電子換能器，例如高速瞬變、功率設(shè)備的脈沖電流或50、60赫茲的電力線正弦電流。羅氏線圈有一個(gè)靈活的夾式傳感器線圈，可以很容易地纏繞在載流導(dǎo)體上進(jìn)行測(cè)量，并且可以測(cè)量高達(dá)數(shù)千安培的非常大的電流，也不會(huì)增加傳感器的尺寸。

羅氏線圈是如何工作的？

羅氏線圈背后的工作原理是基于法拉第定律的，閉合電路中感應(yīng)的總電動(dòng)勢(shì)與連接該電路的總磁通量的時(shí)間變化率成正比。

羅氏線圈類似于交流電流互感器，因?yàn)殡妷罕桓袘?yīng)到二次線圈中，該二次線圈與流經(jīng)隔離導(dǎo)體的電流成正比。關(guān)鍵的區(qū)別在于，羅氏線圈有一個(gè)空氣芯，而不是電流互感器，電流互感器依靠高磁導(dǎo)率的鋼芯與二次繞組進(jìn)行磁性耦合。空芯設(shè)計(jì)具有較低的插入阻抗，從而實(shí)現(xiàn)了更快的信號(hào)響應(yīng)和非常線性的信號(hào)電壓。

在載流導(dǎo)線周圍環(huán)形放置一個(gè)空芯線圈，交流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在線圈中感應(yīng)電壓。羅氏線圈產(chǎn)生的電壓與線圈回路封閉的電流的變化率(導(dǎo)數(shù))成正比。然后對(duì)線圈電壓進(jìn)行積分，以便探頭提供與輸入電流信號(hào)成比例的輸出電壓。

優(yōu)勢(shì)

與不同類型的電流傳感器或傳感技術(shù)相比，羅柯夫斯基線圈電流探頭具有許多優(yōu)勢(shì)。

1、無(wú)鐵心飽和的大電流測(cè)量

羅氏線圈能夠測(cè)量大電流(范圍非常寬，從幾毫安到幾毫安以上)，也不會(huì)使磁芯飽和，因?yàn)樘筋^采用了非磁性的“空氣"磁芯。與其他電流傳感器不同的是，隨著可測(cè)量電流范圍的擴(kuò)大，它們會(huì)變得越來(lái)越大，而Rogowski線圈保持相同的小尺寸線圈，而不受被測(cè)量電流幅度的影響。這使得羅氏線圈成為進(jìn)行數(shù)百甚至數(shù)千安培大電流測(cè)量的有效的測(cè)量工具。

2、使用非常靈活

輕巧的夾式傳感器線圈很靈活，很容易纏繞在載流導(dǎo)體上，可以很容易地插入電路中難以觸及的部件中。大多數(shù)羅氏線圈足夠薄，可以安裝在T0-220或T0-247功率半導(dǎo)體封裝的支腿之間，且不需要額外的導(dǎo)線回路來(lái)連接電流探頭，這在實(shí)現(xiàn)高信號(hào)完整性測(cè)量方面也具有優(yōu)勢(shì)。

3、帶寬高達(dá)30MHz以上

這使得羅氏線圈能夠測(cè)量變化非常迅速的電流信號(hào)，例如，幾千A/μ秒。高帶寬特性允許分析在高開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行的系統(tǒng)中的高次諧波，或準(zhǔn)確監(jiān)控具有快速上升或下降時(shí)間的開(kāi)關(guān)波形，在實(shí)現(xiàn)高信號(hào)完整性測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)。

4、非侵入式或無(wú)損測(cè)量

由于插入阻抗低，羅氏線圈從DUT汲取的電流極少，由于探頭注入DUT的阻抗只有幾個(gè)皮亨利，從而實(shí)現(xiàn)了更快的信號(hào)響應(yīng)和非常線性的信號(hào)電壓。

5、低成本

與霍爾效應(yīng)傳感器/變壓器電流探頭相比，羅柯夫斯基線圈的價(jià)格通常較低。

局限性

1、僅交流

羅戈夫斯基不能處理直流電流。僅限交流電源。

2、敏感性

由于沒(méi)有高磁導(dǎo)率的磁芯，羅柯夫斯基線圈的靈敏度比電流互感器低。

Keysight提供三個(gè)Rogowski線圈電流探頭，可測(cè)量高達(dá)3,000 A的大電流

選擇探頭時(shí)要問(wèn)的關(guān)鍵問(wèn)題：

-- 確定測(cè)量的是交流電、直流電還是疊加在直流電上的交流電。

-- 測(cè)量的最大電流是多少？

-- 測(cè)量的最小電流是多少？

-- 正在測(cè)量的電流信號(hào)的共模電壓是多少？

-- 目標(biāo)電流信號(hào)有多快？

--  DUT的尺寸是多大？

-- 會(huì)同時(shí)使用多少個(gè)電流探頭或電壓探頭？

-- 被測(cè)導(dǎo)體的最大電壓是多少？

-- 使用哪種類型的示波器？

-- 多少預(yù)算？

總結(jié)

測(cè)量電流有多種不同的方法，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，每個(gè)探頭都有一個(gè)表現(xiàn)好的區(qū)域，當(dāng)它們按設(shè)計(jì)方式被正確使用時(shí)，會(huì)得到好的結(jié)果。

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