電流測(cè)量和電流探頭正確使用方法介紹

使用示波器測(cè)量電流的常見(jiàn)技術(shù)有三種。第一種是在測(cè)量電流時(shí)使用串行電阻器（有時(shí)稱(chēng)為分流器）。第二種是使用電流互感器。第三種是使用電流探頭。這三種方法都要求被測(cè)電流經(jīng)過(guò)測(cè)量傳感器，因此都有一定的侵入性。

電流探頭允許用戶(hù)在測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)電流時(shí)無(wú)需拆開(kāi)導(dǎo)線(xiàn)，因此是侵入性最小的技術(shù)。但用戶(hù)需要了解一些基本的電流探頭原理，才能更好地利用最新探頭設(shè)計(jì)。

本文將介紹各種電流測(cè)量方法，再介紹電流探頭以及如何有效使用探頭。

分流器

分流器通常設(shè)計(jì)在電路或相關(guān)測(cè)試裝置中。通過(guò)測(cè)量分流器已知電阻上的壓降來(lái)確定電流。在分流器串行電阻和電流測(cè)量所需的靈敏度之間，需要進(jìn)行工程權(quán)衡。

既要獲得合理壓降，同時(shí)又不影響電路性能。并且，分流器的額定功率對(duì)于被測(cè)電流需足夠大。分流電阻器的一個(gè)實(shí)例是 Riedon RSA-10-100。這種底座安裝式電阻器的電阻為 0.01 Ω，容差 ±0.25%，額定功率為 1 W。電阻器額定功率將最大電流設(shè)置為 10 A，產(chǎn)生 100 mV 的輸出電壓。示波器用于測(cè)量分流器上的電壓。大多數(shù)示波器可以按比例將電壓調(diào)整為等效電流（圖 1）。

圖 1：展示重調(diào)設(shè)置的 Teledyne LeCroy HDO4104 示波器通道設(shè)置，能夠根據(jù)基于分流電阻器值垂直讀出安培數(shù)（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）。

Teledyne LeCroy HDO4104 示波器的輸入通道設(shè)置是許多允許重調(diào)垂直數(shù)據(jù)的儀器的常見(jiàn)設(shè)置?！癛escale”（重調(diào)）控件允許用戶(hù)指定單位（本例中為安培）以及以“Units/Volt”為單位的重調(diào)系數(shù)。對(duì)于 RSA-10-100，“ Units/Volt”設(shè)置是電阻值的倒數(shù)，即 1/0.01 = 100。示波器還可以加上或減去失調(diào)電流，這在有源傳感器中可能會(huì)用到。輸入“Rescale”設(shè)置后，通過(guò)垂直縮放示波器輸入通道，即可直接安培數(shù)，包括測(cè)量參數(shù)和光標(biāo)讀數(shù)。

分流電阻器對(duì) AC 和 DC 電流均有響應(yīng)，帶寬受到電阻器內(nèi)部電感和電容的限制。

同軸或脈沖分流器是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扁平分流電阻器的補(bǔ)充。這些設(shè)備將分流電阻器排列成圓柱幾何形狀，以使其電感最小化。電壓觸頭被引出至某個(gè)適合帶寬的同軸連接器上。

同軸分流器適合高至數(shù)百個(gè) MHz 的帶寬，具體取決于電阻器值和最大額定電流。

同軸分流器的大小與最大額定電流成正比，且遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的扁平分流器。

電流互感器

另一種可行方法是對(duì)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流進(jìn)行磁感應(yīng)。最簡(jiǎn)單的磁傳感器就是電流互感器（圖 2）。

圖 2：電流互感器使用多匝次級(jí)繞組，感應(yīng)通過(guò)鐵氧體磁芯開(kāi)口的導(dǎo)線(xiàn)中的電流。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

承載被測(cè)電流 (IMeas) 的導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)構(gòu)成互感器初級(jí)繞組的鐵氧體磁芯的中心。電流在磁芯中感應(yīng)出的磁通量與該電流成正比。N 匝感應(yīng)繞組用于感應(yīng)磁通量。次級(jí)繞組中的感應(yīng)電流與匝數(shù)比（初級(jí)繞組中的匝數(shù)與次級(jí)繞組中的匝數(shù)比，本例中為 1/N）成比例。

通過(guò)讓次級(jí)電流流過(guò)一個(gè)電阻器（最常用的就是示波器 50 W 端接），可將其轉(zhuǎn)換為電壓。如果使用 50 W 端接，則將輸入通道的“Rescale ”設(shè)置設(shè)為 N/50 A/V。電流互感器僅適用于 AC 信號(hào)。不能用于測(cè)量直流電流。

注意，被測(cè)導(dǎo)線(xiàn)必須穿過(guò)磁芯。這樣就需要拆開(kāi)導(dǎo)線(xiàn)，將其穿過(guò)磁芯。有的電流互感器使用分離式磁芯，以便被測(cè)導(dǎo)線(xiàn)插入。

電流探頭

電流探頭設(shè)計(jì)用于提供一種方便的電流測(cè)量方式。它們可以是 AC 耦合，采用電流互感器技術(shù)或 AC/DC 耦合。無(wú)論哪種類(lèi)型，探頭都包括分離式磁芯幾何體，便于裝入載流導(dǎo)體，而無(wú)需將其拆開(kāi)。

Teledyne LeCroy CP030 是 AC/DC 電流探頭典型實(shí)例，可測(cè)量最高 30 A 的電流，帶寬 50 MHz（圖 3）。

圖 3：Teledyne LeCroy CP030 是 30 A、DC - 50 MHz 電流探頭。它使用 ProBus 接口，可與 Teledyne LeCroy 示波器完全集成。（圖片來(lái)源：Teledyne LeCroy）。

CP030 使用混合技術(shù)，同時(shí)采用了用于 DC 和低頻 AC 信號(hào)的霍爾效應(yīng)器件和用于高頻 AC 信號(hào)的電流互感器（圖 4）。

圖 4：CP030 AC/DC 電流探頭功能框圖。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

CP030 采用分離式鐵氧體磁芯，能快速插入承載被測(cè)電流的導(dǎo)線(xiàn)。

它在磁芯間隙中加入了霍爾效應(yīng)傳感器和反饋繞組?；魻栃?yīng)傳感器在合理施加偏壓時(shí)可產(chǎn)生與磁芯中的磁通量成比例的輸出電流。此輸出經(jīng)放大，可驅(qū)動(dòng)反饋繞組，讓磁芯變?yōu)榱愦磐繝顟B(tài)。這時(shí)，由于載流導(dǎo)線(xiàn)的作用，通過(guò)反饋繞組的電流與磁通量成比例。

輸出端接將此電流轉(zhuǎn)換為電壓。由于霍爾效應(yīng)傳感器輸出隨頻率增加而降低，反饋繞組起到電流互感器的作用，因此可準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)信號(hào)的高頻部分。

CP030 的靈敏度為 1 V/A。探頭通過(guò) ProBus 接口將此信息傳輸給示波器。示波器自動(dòng)調(diào)整插入探頭的通道的比例，以讀取安培值（圖 5）。

圖 5：連接 CP030 的 Teledyne LeCroy HDO 4104 示波器通道設(shè)置。探頭將被自動(dòng)識(shí)別，并“Probe”輸入框中所示。正確的比例被自動(dòng)輸入到“Units/V”輸入框中，垂直單位則設(shè)置為“Amperes”。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

除了感應(yīng)和調(diào)節(jié)探頭輸出比例外，示波器包括含探頭相關(guān)所有控件的對(duì)話(huà)框（圖 6）。

圖 6：CP030 探頭設(shè)置對(duì)話(huà)框，顯示探頭消磁和自動(dòng)歸零控件。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

對(duì)話(huà)框中包括消磁和自動(dòng)歸零控件。通過(guò)施加消磁信號(hào)，消磁功能可消除探頭磁芯中的任何殘余磁通量。應(yīng)在任何重要測(cè)量之前進(jìn)行消磁，以確保最佳精度。當(dāng)沒(méi)有電流時(shí)，自動(dòng)歸零控件將探頭輸出的任何偏移設(shè)置為零伏。示波器上配備這些控件意味著不占探頭或接口盒的任何空間，探頭體積更小。對(duì)話(huà)框還可識(shí)別探頭并提供其主要規(guī)格參數(shù)。

提高電流探頭有效性的常用技術(shù)

測(cè)量小電流時(shí)，可在初級(jí)繞組上多纏繞多匝導(dǎo)線(xiàn)以提高電流探頭靈敏度（圖 7A）。

圖 7：通過(guò)在探頭磁芯上多纏繞多匝導(dǎo)線(xiàn)提高電流探頭靈敏度 (A)。將多根導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)探頭磁芯進(jìn)行差分測(cè)量 (B)。（圖片來(lái)源：Teledyne LeCroy）

在任何互感器中，通過(guò)探頭磁芯的匝數(shù)越多，探頭靈敏度則越高。在圖 7 中，探頭磁芯上繞有四匝線(xiàn)圈，靈敏度提高了四倍。此系數(shù)必須手動(dòng)輸入到探頭“Rescale ”設(shè)置中。注意，插入阻抗也將按匝數(shù)的平方而增高。在本例中，阻抗將增加 16 倍。由于測(cè)量針對(duì)低電流水平，此阻抗上的壓降通常較低，并且對(duì)測(cè)量的影響最小。

如果多根導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)探頭，示波器將讀取凈電流（圖 7B）。這種技術(shù)能用于測(cè)量?jī)筛鶎?dǎo)線(xiàn)中的差分電流。將具有等效 DC 電流的導(dǎo)線(xiàn)以反方向穿過(guò)，還能用于消除較大失調(diào)電流。這能擴(kuò)大電流探頭的量程。

使用第三方電流探頭

許多制造商提供針對(duì)不使用專(zhuān)有接口的通用示波器的電流探頭。這些探頭包含電源、消磁控件和調(diào)整探頭直流偏移的控件。例如 Cal Test Electronics 的 CP6990O-NA AC/DC 40 A、1.5 MHz 獨(dú)立電流探頭（圖 8）。

圖 8：Cal Test Electronics CP6990-NA 獨(dú)立電流探頭及其相關(guān)配件（圖片來(lái)源：Cal Test Electronics）

這種電流探頭采用電池供電，通過(guò)隨附的 BNC 電纜直接連接示波器。探頭具有雙靈敏度量程，即 1 V/A 或 100 mV/A。相應(yīng)的，Teledyne LeCroy HDO4104 的“Rescale”字段分別輸入 1 或 10 Units/Volt。單位字段應(yīng)當(dāng)選擇“A”。已選通道的垂直比例現(xiàn)在可以用“安培”進(jìn)行校準(zhǔn)。

總結(jié)

示波器可使用分流器、電流互感器或電流探頭進(jìn)行電流測(cè)量。無(wú)論使用哪種傳感器，示波器通道均能重新調(diào)整比例，直接以電流單位讀數(shù)。

電流探頭易于連接，因此是最容易使用的裝置。示波器制造商提供的電流探頭可感應(yīng)探頭，并自動(dòng)調(diào)整電流數(shù)據(jù)比例。