了解、选择和有效使用电流探头

作者:Art Pini

投稿人:Digi-Key 北美编辑

编者按:这篇有关电流测量和电流探头的文章是关于探头及其正确使用方法的三部曲系列文章的第三篇。 第一篇介绍了高阻抗无源探头。第二篇讨论了单端、差分和高压差分有源探头。第三篇将介绍电流测量和电流探头

使用示波器测量电流的常见技术有三种。第一种是在测量电流时使用串行电阻器(有时称为分流器)。第二种是使用电流互感器。第三种是使用电流探头。这三种方法都要求被测电流经过测量传感器,因此都有一定的侵入性。

电流探头允许用户在测量导线电流时无需拆开导线,因此是侵入性最小的技术。但用户需要了解一些基本的电流探头原理,才能更好地利用最新探头设计。

本文将介绍各种电流测量方法,再介绍电流探头以及如何有效使用探头。

分流器

分流器通常设计在电路或相关测试装置中。通过测量分流器已知电阻上的压降来确定电流。在分流器串行电阻和电流测量所需的灵敏度之间,需要进行工程权衡。

既要获得合理压降,同时又不影响电路性能。并且,分流器的额定功率对于被测电流需足够大。分流电阻器的一个实例是 Riedon RSA-10-100。这种底座安装式电阻器的电阻为 0.01 Ω,容差 ±0.25%,额定功率为 1 W。电阻器额定功率将最大电流设置为 10 A,产生 100 mV 的输出电压。示波器用于测量分流器上的电压。大多数示波器可以按比例将电压调整为等效电流(图 1)。

Teledyne LeCroy HDO4104 示波器通道设置图(单击查看全尺寸图片)

图 1:展示重调设置的 Teledyne LeCroy HDO4104 示波器通道设置,能够根据基于分流电阻器值垂直读出安培数(图片来源:Digi-Key Electronics)。

Teledyne LeCroy HDO4104 示波器的输入通道设置是许多允许重调垂直数据的仪器的常见设置。“Rescale”(重调)控件允许用户指定单位(本例中为安培)以及以“Units/Volt”为单位的重调系数。对于 RSA-10-100,“ Units/Volt”设置是电阻值的倒数,即 1/0.01 = 100。示波器还可以加上或减去失调电流,这在有源传感器中可能会用到。输入“Rescale”设置后,通过垂直缩放示波器输入通道,即可直接安培数,包括测量参数和光标读数。

分流电阻器对 AC 和 DC 电流均有响应,带宽受到电阻器内部电感和电容的限制。

同轴或脉冲分流器是对标准扁平分流电阻器的补充。这些设备将分流电阻器排列成圆柱几何形状,以使其电感最小化。电压触头被引出至某个适合带宽的同轴连接器上。

同轴分流器适合高至数百个 MHz 的带宽,具体取决于电阻器值和最大额定电流。

同轴分流器的大小与最大额定电流成正比,且远大于传统的扁平分流器。

电流互感器

另一种可行方法是对通过导线的电流进行磁感应。最简单的磁传感器就是电流互感器(图 2)。

电流互感器感应导线中的电流原理图

图 2:电流互感器使用多匝次级绕组,感应通过铁氧体磁芯开口的导线中的电流。(图片来源:Digi-Key Electronics)

承载被测电流 (IMeas) 的导线穿过构成互感器初级绕组的铁氧体磁芯的中心。电流在磁芯中感应出的磁通量与该电流成正比。N 匝感应绕组用于感应磁通量。次级绕组中的感应电流与匝数比(初级绕组中的匝数与次级绕组中的匝数比,本例中为 1/N)成比例。

通过让次级电流流过一个电阻器(最常用的就是示波器 50 W 端接),可将其转换为电压。如果使用 50 W 端接,则将输入通道的“Rescale ”设置设为 N/50 A/V。电流互感器仅适用于 AC 信号。不能用于测量直流电流。

注意,被测导线必须穿过磁芯。这样就需要拆开导线,将其穿过磁芯。有的电流互感器使用分离式磁芯,以便被测导线插入。

电流探头

电流探头设计用于提供一种方便的电流测量方式。它们可以是 AC 耦合,采用电流互感器技术或 AC/DC 耦合。无论哪种类型,探头都包括分离式磁芯几何体,便于装入载流导体,而无需将其拆开。

Teledyne LeCroy CP030 是 AC/DC 电流探头典型实例,可测量最高 30 A 的电流,带宽 50 MHz(图 3)。

Teledyne LeCroy CP030 电流探头图片

图 3:Teledyne LeCroy CP030 是 30 A、DC - 50 MHz 电流探头。它使用 ProBus 接口,可与 Teledyne LeCroy 示波器完全集成。(图片来源:Teledyne LeCroy)。

CP030 使用混合技术,同时采用了用于 DC 和低频 AC 信号的霍尔效应器件和用于高频 AC 信号的电流互感器(图 4)。

Teledyne LeCroy CP030 AC/DC 电流探头功能框图

图 4:CP030 AC/DC 电流探头功能框图。(图片来源:Digi-Key Electronics)

CP030 采用分离式铁氧体磁芯,能快速插入承载被测电流的导线。

它在磁芯间隙中加入了霍尔效应传感器和反馈绕组。霍尔效应传感器在合理施加偏压时可产生与磁芯中的磁通量成比例的输出电流。此输出经放大,可驱动反馈绕组,让磁芯变为零磁通量状态。这时,由于载流导线的作用,通过反馈绕组的电流与磁通量成比例。

输出端接将此电流转换为电压。由于霍尔效应传感器输出随频率增加而降低,反馈绕组起到电流互感器的作用,因此可准确测量被测信号的高频部分。

CP030 的灵敏度为 1 V/A。探头通过 ProBus 接口将此信息传输给示波器。示波器自动调整插入探头的通道的比例,以读取安培值(图 5)。

Teledyne LeCroy HDO 4104 示波器通道设置图(单击查看全尺寸图片)

图 5:连接 CP030 的 Teledyne LeCroy HDO 4104 示波器通道设置。探头将被自动识别,并“Probe”输入框中所示。正确的比例被自动输入到“Units/V”输入框中,垂直单位则设置为“Amperes”。(图片来源:Digi-Key Electronics)

除了感应和调节探头输出比例外,示波器包括含探头相关所有控件的对话框(图 6)。

CP030 探头设置对话框图片(单击查看全尺寸图片)

图 6:CP030 探头设置对话框,显示探头消磁和自动归零控件。(图片来源:Digi-Key Electronics)

对话框中包括消磁和自动归零控件。通过施加消磁信号,消磁功能可消除探头磁芯中的任何残余磁通量。应在任何重要测量之前进行消磁,以确保最佳精度。当没有电流时,自动归零控件将探头输出的任何偏移设置为零伏。示波器上配备这些控件意味着不占探头或接口盒的任何空间,探头体积更小。对话框还可识别探头并提供其主要规格参数。

提高电流探头有效性的常用技术

测量小电流时,可在初级绕组上多缠绕多匝导线以提高电流探头灵敏度(图 7A)。

在探头磁芯上缠绕多匝导线图片

图 7:通过在探头磁芯上多缠绕多匝导线提高电流探头灵敏度 (A)。将多根导线穿过探头磁芯进行差分测量 (B)。(图片来源:Teledyne LeCroy)

在任何互感器中,通过探头磁芯的匝数越多,探头灵敏度则越高。在图 7 中,探头磁芯上绕有四匝线圈,灵敏度提高了四倍。此系数必须手动输入到探头“Rescale ”设置中。注意,插入阻抗也将按匝数的平方而增高。在本例中,阻抗将增加 16 倍。由于测量针对低电流水平,此阻抗上的压降通常较低,并且对测量的影响最小。

如果多根导线穿过探头,示波器将读取净电流(图 7B)。这种技术能用于测量两根导线中的差分电流。将具有等效 DC 电流的导线以反方向穿过,还能用于消除较大失调电流。这能扩大电流探头的量程。

使用第三方电流探头

许多制造商提供针对不使用专有接口的通用示波器的电流探头。这些探头包含电源、消磁控件和调整探头直流偏移的控件。例如 Cal Test ElectronicsCP6990O-NA AC/DC 40 A、1.5 MHz 独立电流探头(图 8)。

Cal Test Electronics CP6990-NA 独立电流探头图片

图 8:Cal Test Electronics CP6990-NA 独立电流探头及其相关配件(图片来源:Cal Test Electronics)

这种电流探头采用电池供电,通过随附的 BNC 电缆直接连接示波器。探头具有双灵敏度量程,即 1 V/A 或 100 mV/A。相应的,Teledyne LeCroy HDO4104 的“Rescale”字段分别输入 1 或 10 Units/Volt。单位字段应当选择“A”。已选通道的垂直比例现在可以用“安培”进行校准。

总结

示波器可使用分流器、电流互感器或电流探头进行电流测量。无论使用哪种传感器,示波器通道均能重新调整比例,直接以电流单位读数。

电流探头易于连接,因此是最容易使用的装置。示波器制造商提供的电流探头可感应探头,并自动调整电流数据比例。

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关于此作者

Art Pini

Arthur (Art) Pini 是 Digi-Key Electronics 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验,曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣,在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。

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