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电流探头的分类和选择

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yu309262908
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LV6
高级工程师
  • 2018-3-15 09:53:50
示波器电流探头让示波器能够测量电流,扩展了测量电压以外的用途。基本上而言,电流探头通过某种方式感应电流流动,并将电流转化为可以在示波器上查看并测量的电压。
目前最常用的电流探头是结合电流互感器和霍尔效应的交直流探头。市面上还有多种可以选择的电流探头类型,先了解清楚每一种探头的原理和优缺点才能合理的根据自己的应用选择。

根据不同的电流检测技术,示波器电流探头一般分为以下三类:
1  电阻采样式电流探头:基于欧姆定律实现电流检测
2  夹合式电流探头:基于交流互感器的交流探头或者混合霍尔器件/交流互感器的交直流探头
3  罗氏线圈:用于大交流电流测量的便捷探头

电阻采样式电流探头

测量 DUT 电流的一种直接方式是在电流中使用采样电阻,测量电阻两端的压降,并使用欧姆定律方程式(即, I = V/R)将电压转换为电流。此方法是侵入式测量法,采样/分流电阻和测量电路通过电气连接,并且是待测设备的一部分。因此,有很多因素需要考虑。

>>> 选择检测电阻
电阻值、精度、温度系数和物理尺寸的选择均取决于待测量的电流量和实际环境。电阻值越大,信噪比越大,测量精度也越高。但是,较大的电阻值将导致电阻上功耗的增加,从而在用电端产生电压低于实际供电电压。除了电压压降外,还存在检测电阻值和测量噪声、灵敏度和带宽之间的权衡。为了降低负担电压的影响,用户可能需要尽可能使用最小的检测电阻值,但较低的检测电阻同样会对测量产生不利影响,用户需要在测试精度和电阻功耗,后端电压损失方面做出均衡选择。
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>>> 高压侧还是低压侧?
使用电阻采样式电流探头测量负载电流时,时选择将检测电阻放在供电电压和负载(高压侧)之间,或者放在负载和接地(低压侧)之间。通常更倾向于使用低压侧感应,因为共模电压靠近接地端。高侧感应的优点在于其可以直接监控电源的电流,从而方便检测负载短路。

>>>电阻采样式电流探头优点
  • 可实现极高的灵敏度并进行高带宽测量,突破传统电流的限制达到uA级测量的精度
  • 小巧、经济

>>>限制
  • 在负担电压和测量精度(噪声、灵敏度和带宽)之间存在权衡。
  • 高精度测量的较大检测电阻值意味着检测电阻上压力骤降的增加,以及负载的低电压,从而引起系统性能和效率问题。
  • 此方法是侵入式测量法,其中检测电阻和测量电路通过电气连接,并且是待测设备的一部分。

>>> 是德科技解决方案
是德科技的 N2820A/21A 高灵敏度电流探头采用电阻采样技术,结合示波器使用,可测量低至500nA 的电流,非常适合于IOT等小电流测量领域使用。

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夹合式电流探头

现在市场上最常见的电流探头类型是磁芯电流探头,或夹合式电流探头。这是一种间接电流检测技术,探头夹住带待测导线,以实现非接触性电流测量。探头的输出端会产生与测量的电流振幅成正比的电压信号。从而实现无创测定或隔离测量,过程中探头不会与待测设备进行电气连接。夹合式电流探头有交流和交流/直流不同的类型,并且有各种电流转换换算系数可用。电流探头被设计用于感应导体周围电磁场强度,并将其转为对应的电压以供示波器测量。在最常见的夹合式电流探头内采用了两种传感器技术。一种是测量直流或低频信号的霍尔效应传感器。另一项常见技术是使用电流互感器。交流电流在一次侧内产生磁场,然后在第二绕组电路中引出电流,并被送至至测量仪。第二绕组将带有与通过主要绕组电流成正比的感应电压,此技术仅可用于测量交流电流。
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目前常见的技术是混合交流/直流电流探头,在一个探头内整合了用于测量直流和低频分量的霍尔效应传感器元件以及测量交流的电流互感器。
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>>>夹合式电流探头优点
  • 探头和待测设备之间的电流隔离。
  • 它们可以放置在电流路径上的任意位置,而不会切断电路。
  • 插入阻抗较低。

>>>选择示波器供电还是外置电源?
根据供电模式不同夹合式电流探头还可以分为示波器供电(AutoProbe)和外置电源探头。示波器供电探头使用方便,不需要携带探头外置电源,提供更智能的消磁和归零操作。不过外置供电探头由于可以在不同品牌的示波器上通用而更能保护用户的资产,由于夹合式电流探头价格十分昂贵,甚至不亚于示波器的价格,选择探头时其通用性也是一个非常重要的参考因素。

>>>夹合式电流探头限制
  • 消磁和偏移误差消除。为了进行精确测量,需要偶尔对探头进行消磁,并在消磁后补偿探头上保留的任何直流偏移。
  • 高价格:霍尔效应传感器是最贵的电流传感器之一

>>> 是德科技夹合式电流探头方案
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是德科技最新推出的业界最高灵敏度(1mA/div)下最高带宽150MHz的交直流探头,最大电流输入可达30Arms和50Apeak,并提供一键式归零消磁校准等功能。
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外置电源供电的通用电流探头,最大可测电流分50Apeak, 300Apeak 和700Apeak等。

罗氏线圈

如果您处理的是几十安培甚至更大交流电流并且希望测量方式更加灵活,可以考虑使用罗氏电流探头。罗氏线圈不含铁磁性材料,无磁滞效应,几乎为零的相位误差;无磁饱和象,因而测量范围可从数安培到数百千安的电流;结构简单,并且和被测电流之间没有直接的电路联系;

>>>罗氏线圈的工作原理是什么?
罗氏线圈又称罗科夫斯基线圈,其工作原理是基于法拉第定律,讲述的是闭合电路中感应的总电动势与连接电路的总磁通量时间变化率的正比关系。罗科夫斯基线圈与交流电电流互感器类似,其中电压被导向第二线圈,并在该处与经过绝缘导体的电流成正比关系。关键区别在于罗科夫斯基线圈带有空心磁芯,这一点与电流互感器刚好相反,后者依靠高导磁率钢芯与第二绕线实现磁耦合。而空心磁芯则采用较低插入抗阻的设计,实现更快的信号响应和线性的信号电压。空心磁芯线圈以环形方式被置于带电流的导体周围,且交流电电流产生的磁场会在线圈中感应电压。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路,就可以真实还原输入电流。

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>>>罗氏线圈优点
  • 无磁芯饱和现象的大电流测量
    罗氏线圈可以测量大电流(范围涵盖从数 mA 到数 kA 以上)而无磁芯饱和现象,因为探头使用的是非磁性“空心”磁芯。可测量电流的上限被测量仪器的最大输入电压或被线圈/积分器电路元件的电压限值所限制。其他电流传感器会随着测量电流范围的增加而变得更加笨重不同,罗氏线圈由于与待测量电流幅度独立,从而可以保持相同的小体积。这使得罗氏线圈成为了进行数百乃至数千安大交流电流测量的最有效测量工具。
  • 使用灵活
    轻型包夹式传感线圈使用灵活,可轻松包裹住带电流的导体。其可以插入电路内难以触及的部件。大部分罗氏线圈都足够纤细,可以放入 T0-220 或 TO-247 功率半导体封装腿之间,而无需额外的线圈连接电流探头。这也提供了实现高信号完整性测量的优点。
  • 最高带宽 >30 MHz
    让罗氏线圈可以测量变化速度极快的电流信号 – 例如数千 A/µsec 的信号。高带宽特性允许分析系统中以高开关频率运行的高阶谐波,或精确监控具有快速上升或下降时间的开关波形。实现高信号完整性测量的优点。
  • 非侵入性或无损测量
    由于具有低插入阻抗,罗氏线圈从待测设备中抽取的电流极小。因为探头而注入到被测设备中的阻抗只是几微微亨利,因而支持更快速的信号响应和非常线性化的信号电压。
  • 低成本
    与霍尔效应传感器/互感器电流探头相比,罗氏线圈通常价格较低。

>>>罗氏线圈的使用限制
  • 仅限交流电
    罗氏线圈无法处理直流电流, 仅支持交流电流。
  • 灵敏度
    罗氏线圈与电流互感器相比,由于缺少高导磁率磁芯而灵敏度较低。

>>> 不同类型电流探头比较
下面的图表比较电阻采样、夹合式电流探头和罗氏线圈电流探头的主要属性。在您需要给应用选择电流探头时,您可以参考这个图表。
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weixiu123
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LV8
副总工程师
  • 2018-4-12 18:33:14
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谢谢分享  这个很好
电子制作
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LV6
高级工程师
  • 2018-7-12 08:43:35
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学习了,谢谢分享!
stanleypo88
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LV1
本网技工
最新回复
  • 2018-10-23 20:48:01
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谢谢大大分享!
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