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示波器電流探頭的原理與簡單介紹

更新時間:2022-09-27點擊次數(shù):1193

1. 概述

電流探頭的應(yīng)用十分廣泛,其基本原理是流經(jīng)導(dǎo)線的電流會在周圍產(chǎn)生磁場,電流探頭把磁場轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號,通過和示波器配合,觀察對應(yīng)的電流波形。廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、馬達驅(qū)動器、電子整流計、LED照明、新能源等領(lǐng)域。本文將講述常見的電流探頭的分類、原理、重要技術(shù)指標,并通過實例分析了解探頭之間的差別,讓大家能夠?qū)μ筋^有個基本的了解。


2. 電流探頭的分類和原理

目前示波器上的電流探頭基本分成兩類:即AC電流探頭和AC/DC電流探頭,AC電流探頭常見的是無源探頭,成本低,但不能處理直流分量;AC/DC電流探頭通常是有源探頭,分為低頻探頭和高頻探頭,低頻探頭常見的帶寬在幾百KHz以下,高頻探頭帶寬一般在幾MHz以上。

2.1 AC電流探頭

AC電流探頭有無源的,也有有源的。

常見的無源AC探頭,比如說電流環(huán),其基本原理如圖1,電流探頭前端有一個磁環(huán),磁環(huán)上繞有線圈,使用時這個磁環(huán)套在被測的供電線上。由于電流流過電線所產(chǎn)生的磁場就被這個磁環(huán)收集到,磁通量和電線上流過的電流成正比,磁環(huán)上的線圈產(chǎn)生相應(yīng)比例關(guān)系的電流,經(jīng)后級匹配電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)比例關(guān)系的電壓。無源AC探頭的缺點是不能測量直流型號,且低頻截止點通常在100Hz以上,優(yōu)點是成本低。無源AC探頭根據(jù)嵌頭結(jié)構(gòu)可分為分芯和實芯的兩種。分芯的嵌口可手動張開和關(guān)閉,優(yōu)點是探頭能夠方便地卡到測量電流的導(dǎo)線上,在測量完成時,鉗口可以打開,探頭可以移到其它導(dǎo)線上;缺點是高頻響應(yīng)速度比較慢。實芯AC無源探頭的優(yōu)點是響應(yīng)速度比較快,高頻帶寬達到ns級別,甚至更高;缺點是被測電流一般比較小,通常在100A以下,測量時必須斷開被測導(dǎo)線,把導(dǎo)線穿過轉(zhuǎn)換器,然后重新把導(dǎo)線連接到電路上,才能進行測量。




圖1 常見的無源AC探頭測量原理示意圖

有源的AC探頭根據(jù)鉗口常見形式分為兩種:一種是普通的嵌式結(jié)構(gòu),另一種是柔性結(jié)構(gòu)。普通的嵌式結(jié)構(gòu)電流探頭一般都使用強磁性材料制作的鐵心,這種流過很大的一次電流,鐵心很容易產(chǎn)生磁飽和,因此使得無法進行準確的測量;而柔性探頭使用的是空芯型交流電流傳感器,因此在大電流的情況下也不飽和,所以柔性探頭一般用來測量大電流,而且只能測交流。柔性探頭的基本原理(如2)如下:



圖2 空芯交流電流傳感器

Vout=(u*S*N*I)/(R*C*l) 其中R>>2fL

式中 l:線圈長度; S:線圈截面積;N:匝數(shù);L:電感量;u:磁導(dǎo)率實際的柔性探頭一般會配合運放組成積分電路,達到更高的測量精度。