概述

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

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

電流探頭的類型

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

1,、探測電阻或分流電阻：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量探頭；

一,、探測電阻或分流電阻法

測量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量,，因為傳感/分流電阻和電壓測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電流的大小和特性,，電阻值越大，信噪比越大,，測量就越準確,，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,，稱為負載電壓。除了負載電壓損失之外,，探測電阻值與測量噪聲,、靈敏度和帶寬之間也需要權(quán)衡。為了降低負載電壓影響,，用戶可能希望使用盡可能小的探測電阻,，但從測量角度來看，較低的電阻會產(chǎn)生更多的負面影響,。探測電阻值越大,，意味著檢測電阻上的壓降越大，負載的電壓越小,，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能和效率問題,，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)相對于地的輸入共模電壓,。

高測/低測監(jiān)測

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

端子開爾文測量配置

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

優(yōu)勢

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

2,，小巧又便宜,。

局限性

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

2，更準確測量的感測電阻值越大,，意味著感測電阻上的電壓降越大,，負載的電壓越小，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能和效率問題,。

3,，這是一種侵入性測量，因為傳感/分流電阻和電壓測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電阻技術(shù)，可通過示波器測量低至500nA的電流

二,、鉗式電流探頭

另一種常見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周圍進行非接觸式電流測量,，探頭的輸出產(chǎn)生與被測電流的幅度成比例的電壓信號，這允許在探頭未電連接到DUT的情況下進行非侵入性或隔離測量,。

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)計目的是檢測導(dǎo)體周圍的電磁場強度,，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓,，以便通過示波器進行測量。

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,，用于測量直流或低頻信號，霍爾效應(yīng)傳感器是一種根據(jù)磁場改變其輸出電壓的傳感器,。另一種常見的技術(shù)是使用電流互感器,，在變壓器鐵心中流動的交流電流在鐵心中產(chǎn)生磁場，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)電壓與通過一次繞組的電流成正比，該技術(shù)僅用于測量交流電流,。

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

優(yōu)勢

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,，為了準確測量，需要偶爾對探頭進行消磁,，并補償消磁后留在探頭上的任何直流偏置,。

2，價格高：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，進行非接觸式電流測量,。

三,、羅氏線圈

如果要測量的交流電流超過幾十安培，并且想要進行靈活的電流測量,，可以考慮使用Rogowski電流探頭,。

羅氏線圈是一種用于測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)體上進行測量,，并且可以測量高達數(shù)千安培的非常大的電流，也不會增加傳感器的尺寸,。

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)的總電動勢與連接該電路的總磁通量的時間變化率成正比,。

羅氏線圈類似于交流電流互感器,，因為電壓被感應(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行磁性耦合。空芯設(shè)計具有較低的插入阻抗,，從而實現(xiàn)了更快的信號響應(yīng)和非常線性的信號電壓,。

在載流導(dǎo)線周圍環(huán)形放置一個空芯線圈，交流電流產(chǎn)生的磁場在線圈中感應(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,。然后對線圈電壓進行積分，以便探頭提供與輸入電流信號成比例的輸出電壓,。

優(yōu)勢

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。

1,、無鐵心飽和的大電流測量

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

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)線回路來連接電流探頭，這在實現(xiàn)高信號完整性測量方面也具有優(yōu)勢,。

3,、帶寬高達30MHz以上

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

4、非侵入式或無損測量

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的阻抗只有幾個皮亨利,，從而實現(xiàn)了更快的信號響應(yīng)和非常線性的信號電壓。

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Rogowski線圈電流探頭,，可測量高達3,000 A的大電流

選擇探頭時要問的關(guān)鍵問題：

-- 確定測量的是交流電,、直流電還是疊加在直流電上的交流電。

-- 測量的最大電流是多少,？

-- 測量的最小電流是多少,？

-- 正在測量的電流信號的共模電壓是多少？

-- 目標電流信號有多快,？

--  DUT的尺寸是多大,？

-- 會同時使用多少個電流探頭或電壓探頭？

-- 被測導(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)

測量電流有多種不同的方法,，每種方法都有各自的優(yōu)點和局限性,，每個探頭都有一個表現(xiàn)好的區(qū)域，當它們按設(shè)計方式被正確使用時,，會得到好的結(jié)果,。

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