我們在示波器上常用的附件,或者說是標準附件有:無源探頭,以及有源探頭,例如高壓有源差分探頭,高帶寬有源差分探頭。除此之外,示波器探頭還有另外一個大類那就是電流探頭。
一、我們為什么設計電流探頭?
其實直接的原因就是我們有很多場合不僅僅需要測量電壓信號,同時還需要觀測電流信號。例如:我們設計開關電源電路一方面需要關注電壓信號,同時也需要觀測電流信號,再比如,我們如果關注電路的功耗問題,多半也是會關注電流消耗的大小隨時間變化的趨勢和方式等等。這是我們就需要電流探頭的幫助,來探測電路中電流的變化。
(1)電流探頭的基本工作原理:
電流探頭利用霍爾傳感器和感應線圈實現直流和交流電流的測量。電流探頭把電流信號轉換成電壓信號,示波器采集電壓信號,再顯示成電流信號。 電流探頭可以測試幾十毫安到幾百安培的電流,使用時需要引出電流線(電流探頭是把導線夾在中間進行測試的,不會影響被測電路)。
(2)電流探頭在測試直流和低頻交流時的工作原理:
當電流鉗閉合,把一通有電流的導體圍在中心時,響應地會出現一個磁場。這些磁場使霍爾傳感器內的電子發生偏轉,在霍爾傳感器的輸出產生一個電動勢。電流探頭根據這個電動勢產生一個反向(補償)電流送至電流探頭的線圈,使電流鉗中的磁場為零,以防止飽和。電流探頭根據反向電流測得實際的電流值。用這個方法,能夠非常線性的測量大電流,包括交直流混合的電流。
(3)電流探頭在測試高頻時的工作原理:
隨著被測電流頻率的增加,霍爾效應逐漸減弱,當測量一個不含直流成分的高頻交流電流時,大部分是通過磁場的強弱直接感應到電流探頭的線圈。此時,探頭就像一個電流變壓器,電流探頭直接測量的是感應電流,而不是補償電流,功放的輸出為線圈提供一個低阻抗的接地回路。
二、電流探頭有哪些分類?
(1)AC/DC 交直流電流探頭:
這類探頭較為常見,也使用較為廣泛。特點是:支持頻段寬,從DC 一直覆蓋到幾十M赫茲 甚至上百兆赫茲的帶寬范圍。探測電流幅度范圍廣,從毫安級電流,到安培級,甚至上百安培的電流,一根探頭輕松搞定。是工程師朋友們經常使用的。例如N7026A N2893A等就可以提供高達150M 和100M 赫茲的帶寬,同時電流探測范圍也可以從毫安到30A 的范圍(DC)。
(2)羅氏線圈交流電流探頭:
羅哥夫斯基線圈(Rogowski Coil)又稱羅柯夫斯基線圈、羅氏線圈或空心線圈。羅氏線圈是一種交流電流傳感器,是一個空心環形的線圈,有柔性和硬性兩種,可以直接套在被測量的導體上來測量交流電流。羅氏線圈適用于較寬頻率范圍內的交流電流的測量,對導體、尺寸都無特殊要求,具有較快的瞬間反應能力,廣泛應用在傳統的電流測量裝置如電流互感器無法使用的場合,用于電流測量,尤其是高頻、大電流測量。例如:N7040A這個系列就可以測量高達3000A 的AC 電流。
(3)微弱電流測量的專用探頭:
這類電流探頭專門為微弱電流測量設計,起初是為了幫助消費類產品的功耗測試評估而開發,后來被各種各樣的功耗敏感電路,傳感器電路,和侵入式測量電路使用 (需要斷開電流串接進取樣電阻)這類探頭的設計很有特點,雖然頻率范圍支持不算高大概只有3M赫茲,但是可以提供幾十微安級別的電流分辨率,這一指標給我們測量待機功耗帶來了希望和辦法。因為普通的AC/DC 電流探頭分辨率大都在1mA 以上,而且分辨率越高價位也會隨之變高,令很多工程師望而卻步。除此之外,考慮到客戶在關注電流變化細節的同時,可能需要一段時間的連續測量和對電流消耗過程的觀測,是德科技設計的N2820A 還支持第二通道局部放大功能,即一根探頭,提供兩個觀察通道。一個是普通觀測通道,第二通道提供放大100倍的觀測,專門用來觀測細節。