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，較大的電阻值將導致電阻器上的功率消耗增加，從而導致不必要的電壓降，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)計目的是檢測導體周圍的電磁場強度，并將其轉(zhuǎn)換為相應的電壓，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，一種是霍爾效應傳感器，用于測量直流或低頻信號，霍爾效應傳感器是一種根據(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電流，該電流被饋入到示波器，二次繞組的感應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，因為電壓被感應到二次線圈中，該二次線圈與流經(jīng)隔離導體的電流成正比。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)了更快的信號響應和非常線性的信號電壓。

在載流導線周圍環(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功率半導體封裝的支腿之間，且不需要額外的導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)了更快的信號響應和非常線性的信號電壓。

5、低成本

與霍爾效應傳感器/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？

-- 被測導體的最大電壓是多少？

-- 使用哪種類型的示波器？

-- 多少預算？

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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